CN102728958A - 一种激光分离加工光学晶体的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光分离加工光学晶体的方法与装置，先在光学晶体的凸凹不平表面上沿激光分离加工的轨迹进行简单粗磨擦抛光，将表层的水解雾化层和杂质清除干净，形成了一条宽度大于激光入射光斑直径的透明轨迹；再将相同光学晶体材料的饱和溶液均匀涂抹到擦拭过的光学晶体表面，将光学晶体表面凸凹不平填平；最后采用激光沿着光学晶体饱和溶液的轨迹进行扫描分离加工。装置包括激光加工系统和涂液系统，激光聚焦装置、涂液装置、擦拭装置、抛光装置和打磨装置沿X轴方向依次安装在直线移动机构上。可获得无碎裂、分离精度高、分离加工口陡峭、分离面平滑切割且分离质量高的光学晶体薄片，并能有效抑制激光温度过高而导致的负面效应。

Description

一种激光分离加工光学晶体的方法与装置

技术领域

本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及激光分离加工透明光学晶体的一种方法及其装置，该方法尤其适合于未经专业抛光过的光学晶体坯件。

背景技术

透明的光学晶体，如磷酸盐类的KDP、DKDP、磷酸钛氧钾（KTP），三硼酸锂LiB3O5(LBO)，还有LiNbO3(LN)、KNbO3(KN)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢胺、BaTiO3和Gd(MoO4)3等晶体长期以来一直被认为是很好的电光材料，在光电子技术中得到广泛的应用，是高功率驱动器中的倍频件和电光器件的重要材料，在非线性光学方面一直广泛用于光的倍频、和频、差频和混频等。尤其是KDP及DKDP一直是最早备受重视的功能晶体，透过波段为178nm～1.45μm，属于负光性单轴晶，其非线性光学系数常作为标准与其他晶体比较。KDP晶体不但可以实现二、三、四倍倍频及染料激光实现倍频而且它还可以制造Q开关。特别是特大功率激光在受控热核反应、核爆模拟的应用方而，大尺寸KDP是惟一已经采用的倍频材料，其转换效率高达80％以上。虽有新材料出现，但特大晶体的综合性能，仍以KDP为最优。需求大尺寸、高质量的KDP光学晶体，是我国自行研制核发电机组工作的当务之急。

但是由于单晶生长慢，成本很高，KDP具有各向异性、质软、脆性高、易潮解、对加工温度敏感，内部应力大、易开裂，在大尺寸KDP光学晶体坯体分离加工方面，仍然是一个较大的瓶颈。目前我国的光学晶体分离方法主要是采用机械方法——油冷锯条切割方法，这种切割方法存在切割加工时产生震动和热效应，使得光学晶体在机械加工时极易发生碎裂；光学晶体分离尺寸精度较差；切口较宽且有大量碎渣污染晶体表面；割分离方位受光学晶体自身各项异性的影响等问题，导致切割成功率较低。

采用激光对透明光学晶体进行热分离加工具有非接触、无振动、无机械应力的优点，但是直接利用激光对光学晶体进行分离加工，尤其是表面凸凹不平的光学晶体加工会带来以下问题：

1、直接利用激光聚焦到透明光学晶体表面或内部进行分离加工时，由于有些透明光学晶体（如KDP晶体）易潮解而影响激光透过率，导致晶体吸收激光能量的均匀性极差。此外，光学晶体的入射面凸凹不平也会严重影响入射到光学晶体的激光传输方向。因此激光分离加工前必须对待加工的光学晶体经过高精度抛光平整，以满足高的激光透过率、均匀性和方向一致性的要求。但对具有各向异性、质软、脆性高光学晶体进行高精度抛光平整不但程序繁琐、复杂和耗时耗工，而且抛光平整过程中极易发生碎裂，并且分离加工之后还要再进行一次抛光，无疑增加了光学晶体的加工难度。

2、激光热分离加工透明光学晶体所产生的细缝会因空气进入而使光学晶体折射率发生变化，引起激光束传输方向改变，不但耗散了激光能量造成分离深度变浅而且被折射的激光能量被光学晶体吸收而造成光学晶体炸裂，导致分离加工方向失控而毁坏。

3、激光热分离加工透明光学晶体时产生的热量会是分离口端面材料温度过高而改变其光学晶体的光学性能，并且也会导致端面粗造度增加。

发明内容

针对光学晶体在激光分离加工过程中存在的以上问题，本发明提供了一种激光分离加工光学晶体的方法与装置，本发明无需对光学晶体表面进行高精度抛光平整处理的条件下，就能进行有效的激光分离加工，并在分离加工光学晶体过程中不会改变光学晶体折射率和分离口材料的光学性能，因而可获得无碎裂、分离精度高、分离加工口陡峭、分离面平滑且分离质量高的光学晶体薄片，并能有效抑制激光温度过高而导致的负面效应。

本发明提供的一种激光分离加工光学晶体的方法，该方法包括下述步骤：

第1步、在光学晶体的凸凹不平表面上沿激光分离加工的轨迹进行简单粗磨擦抛光，将表层的水解雾化层和杂质清除干净，形成了一条宽度大于激光入射光斑直径的透明轨迹；

第2步、将相同光学晶体材料的饱和溶液均匀涂抹到擦拭过的光学晶体表面，将光学晶体表面凸凹不平填平；

第3步、采用激光沿着光学晶体饱和溶液的轨迹进行扫描分离加工。

本发明提供的一种激光分离加工光学晶体的装置，包括激光聚焦装置和直线移动机构，其特征在于，该装置还包括涂液系统，涂液系统包括打磨装置、抛光装置、擦拭装置和涂液装置，涂液装置用于在激光分离加工光学晶体表面涂相同光学晶体材料的饱和溶液，以直线移动机构的移动方向为X轴方向，激光聚焦装置、涂液装置、擦拭装置、抛光装置和打磨装置沿X轴方向依次安装在直线移动机构上。

本发明利用了饱和光学晶体溶液的折射率与光学晶体的折射率相接近的特点，引导激光进入光学晶体内部进行分离加工，实现分离加工过程中无碎裂、分离精度高、分离加工口陡峭，分离加工面平滑，并能有效抑制激光焦点处温度过高而导致的负面效应。具体而言，本发明具有以下优点：

1、由于激光束与光学晶体相互作用是非接触性，因而消除了机械方法在切割过程中产生导致光学晶体破碎的震动和机械应力；

2、激光分离光学晶体可以比机械切割分离获得更精确的分离尺寸；

3、不受光学晶体自身各项异性的影响，可进行任意方向的分离加工；

4、待加工光学晶体无需高精度抛光，提高了分离加工效率；

5、分离深度大，切面质量好、分离精度高，分离加工缝处无激光耗散，避免了由于激光耗散引起的晶体炸裂，提高了晶体分离加工安全性；

6、不改变分离加工缝周围光学晶体的光学性能。

7、可使激光分离加工所需的激光功率降低（可降低激光功率20%至30%），分离面质量提高，分离速度增加，分离成功率显著上升。

附图说明

图1为涂液法激光分离加工光学晶体方法的示意图；

图2为涂液法激光分离加工光学晶体装置示意图。

具体实施方式

本发明的工作原理是沿激光分离加工光学晶体的轨迹进行简单粗磨擦抛光，将表层的水解雾化层和杂质清除干净，形成了一条宽度大于激光入射光斑直径的透明轨迹。然后在透明轨迹上均匀涂抹一层具有一定厚度的相同光学晶体材料的饱和溶液。该溶液在重力和表面张力的作用下会在上表面形成较平整的平面。当激光垂直射入该平整透明溶液表层时，几乎无偏折地全部进入溶液内部并到达溶液下表面，即溶液和晶体交界面。由于饱和光学晶体的折射率与光学晶体材料本身折射率相近，并且入射角很小，根据下面菲涅尔公式可知：

$r=\frac{(n1\·\cos \mathrm{\α}-n2\·\cos \mathrm{\β})}{n1\·\cos \mathrm{\α}+n2\·\cos \mathrm{\β}}$

（式中，r为反射系数，n1为溶液折射率，n2为晶体折射率，α为入射角，β为出射角）其反射系数几乎为零。所有的激光直接从饱和光学晶体溶液和光学晶体交界面径射入光学晶体材料之中。因此，所涂光学晶体饱和溶液起到了一个过渡层的作用，其功能相当于一个高精度抛光平整的光学晶体表面，将入射激光束无偏析进入表面不平整的晶体材料内部，提高了激光利用效率，大幅度地降低了对晶体表面光滑平整度的要求。

在激光对光学晶体材料进行分离加工的过程中，一旦晶体材料表面开始形成分离细缝，在重力的作用下，饱和溶液将会渗入细缝并将细缝填满，使折射率相近的溶液和晶体材料再次融为一体，消除因空气和光学晶体折射率不同而改变激光传输方向所引起的光强耗散，保持激光原方向继续向下传输，不断增加分离加工深度，并且分离加工的光学晶体时也不会由于细缝内壁之间的来回反射和折射造成晶体炸裂和分离方向的失控。

由于光学晶体在水中的溶解度随着温度的上升而急剧增加，导致激光焦点处的溶液对待加工的光学晶体具有很强的侵蚀能力。在激光分离加工本身和溶液侵蚀的双重作用下，分离加工速度显著提高，分离加工面比用激光直接加工平整得多，并且激光焦点处的溶液对待加工晶体分离加工口端面具有冷却作用，较好的保护了分离缝处晶体材料的原有光学性能。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，本发明采用涂液法激光分离加工光学晶体的方法的流程是：

1、在光学晶体1的凸凹不平表面2上沿激光分离加工的轨迹进行简单粗磨擦抛光，将表层的水解雾化层和杂质清除干净，形成了一条宽度大于激光入射光斑直径的透明轨迹。

用较细砂纸对光学晶体表面沿激光切割轨迹进行初磨，以清除光学晶体的雾化表面以及附在光学晶体表面的油污、渣滓和灰尘等进行清理。磨擦过程中可以采用酒精等有机溶剂或者饱和光学晶体溶液进行辅助；

使用涂有金刚石抛光膏的棉布或羊毛布之类细软材料对磨擦过的光学晶体轨迹进行简单粗抛光。抛光过程中可以采用酒精等有机溶剂进行辅助；

使用海绵等吸水性材料对抛光过的光学晶体表面进行擦拭，以清除附着在光学晶体表面的酒精、抛光膏以及光学晶体粉末等；

2、将饱和光学晶体溶液均匀涂抹到擦拭过后的光学晶体表面；

在透明轨迹上均匀涂抹一层相同光学晶体材料的饱和溶液3,将待激光分离加工的光学晶体表面凸凹不平填平,其溶剂为能使光学晶体溶化的溶剂，主要是水溶剂，该溶液在重力和表面张力的作用下会在上表面形成较平整的平面。

当激光4垂直射入该平整透明溶液表层5时，几乎无偏折地全部进入溶液内部并到达溶液下表面，即溶液和晶体交界面2。由于饱和光学晶体的折射率与光学晶体材料本身折射率相近，所有入射激光束4直接通过饱和光学晶溶液3和晶体交界面2劲射入光学晶体1之中的激光束6，从而消除光学晶体表面因潮解和凸凹不平以及在激光分离加工过程中产生的细缝和温度过高而生的问题。

3、采用激光沿着光学晶体饱和溶液的轨迹进行扫描分离加工。

当激光扫描后在光学晶体产生分离细缝，会使涂在晶体表面上的饱和溶液在重力和毛细孔力作用下，沿细缝渗入到激光与光学晶体相互作用区，并将细缝填满,可使激光分离加工所需的激光功率降低（可降低激光功率20%至30%），分离面质量提高，分离速度增加，分离成功率显著上升。

如图2所示，本发明实例提供的装置包括激光加工系统和涂液系统，激光加工系统包括激光器10、扩束镜11、反射镜12、反射镜13、激光聚焦装置14和直线移动机构15。激光器10、扩束镜11、反射镜12、反射镜13和激光聚焦装置14依次位于光路上，激光聚焦装置14可以为聚焦透镜、扫描振镜聚焦或者上下抖动聚焦透镜。涂液系统包括打磨装置16、抛光装置17、擦拭装置18和涂液装置19。涂液装置用于在激光分离加工光学晶体表面涂相同光学晶体材料的饱和溶液，擦拭装置18可以采用海绵等吸水性材料。

以直线移动机构15的移动方向为X轴方向，激光聚焦装置14、涂液装置19、擦拭装置18、抛光装置17和打磨装置16沿X轴方向依次安装在直线移动机构15上。待激光分离加工光学晶体20固定在可沿z轴方向上下移动装置22上。

涂液装置19可以采用一上端开有进液孔21的线形漏斗，用以实现对液体的均匀涂抹，通过调节进液孔21口径的大小，可以实现对涂液厚度的控制。但涂液装置19的结构并不局限于此，只要能够在光学晶体表面涂液即可。

为了实现对晶体材料的轻压和减震，可以在打磨装置的砂纸盘和固定盘之间设置减震弹簧，在抛光装置的抛光盘和固定盘之间也可以设置减震弹簧。

涂液法激光分离加工光学晶体具体实施方式如下：

将整个涂液系统左移至打磨装置16正好位于待加工材料的最左端。通过移动装置22将晶体材料20微微上升，直至打磨装置16的磨砂盘轻轻压住晶体材料表面。开动打磨装置16、抛光装置17和直线移动机构15，沿x正方向移动。待激光分离加工光学晶体20表面分别被依次经过打磨装置16简单粗打磨、抛光装置17的抛光和擦拭装置18擦拭后，再打开涂液装置19向被简单粗打磨、抛光和擦拭后的光学晶体表面涂上饱和光学晶体溶液，启动激光器10，激光束经扩束镜11扩束准直后由反射镜12和反射镜13导入激光聚焦装置14聚焦为聚焦激光束23进入光学晶体20进行分离加工。

实例1：

本发明采用了输出波长为1070nm，输出峰值激光功率为50W，脉冲能量为1J作为低峰值功率的光纤激光器、高能量激光束，聚焦光斑直径分别为50μm，分离加工DKDP光学晶体试样尺寸为长度60mm，厚度12mm。采用DKDP饱和光学晶体溶液涂在简单粗打磨、抛光和擦拭后的DKDP光学晶体表面上。分离加工速度0.6m/min,光纤激光器输出峰值功率为50W，脉冲能量为1J，扫描速度1m/min。实验结果：光学晶体沿激光扫描线方向分离，无碎裂、分离精度高、分离加工口陡峭，分离加工面平滑。

实例2：

本发明采用了YLM-200型号光钎激光器，输出波长为1064nm，输出连续激光功率200W，聚焦光斑直径分别为80μm，分离磷酸二氘钾光学晶体试样尺寸为长度40mm，厚度55mm。实验方法：采用KDP饱和光学晶体溶液涂在简单粗打磨、抛光和擦拭后的KDP光学晶体表面上,分离加工的光纤激光器输出功率为175W，扫描速度1.8m/min。实验结果：光学晶体沿激光扫描线方向分离，分离端面较为粗糙，需要作抛光处理便可得到应用中所要求的光学平面。

实例3：

本发明采用了Awave-532-20-25K型绿光激器，输出波长为532nm,输出最大单脉冲能量为40μJ，聚焦光斑直径分别为20μm，分离酸锂（LiNbO3-LN）光学晶体，尺寸为长度98mm，厚度10mm。实验方法：将酸锂光学晶体饱和光学晶体溶液涂在简单粗打磨、抛光和擦拭后的酸锂光学晶体表面上，激光扫描速度1.3m/min。沿涂液轨迹方向扫描分离加工，分离后加工端面较为平滑，在光学晶体内部的其他方向不产生裂纹，需作简单的机械修平然后抛光处理便可得到应用中所要求的光学平面。

本方法也同样可以用于涂液法激光分离加工其它的光学晶体，如碘酸锂(LiIO3-LI)、磷酸氧钛钾(KTiOPO4-KTP)、偏硼酸钡(-BaB2O4—BBO)、三硼酸锂(LiB3O5—LBO)、铌酸钾（KNbO3-KN）、硼酸铯(CSB3O5—CBO)、硼酸铯锂(LiCSB6O10—CLBO)、氟硼酸钾铍（KBe2BO3F2-KBBF）以及硫银镓（AgGaS2-AGS）、砷镉锗（CdGeAs-CGA）、磷锗锌（ZnGeP2-ZGP）等非线性光学光学晶体。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1. 一种激光分离加工光学晶体的方法，该方法包括下述步骤： 

第1步、在光学晶体的凸凹不平表面上沿激光分离加工的轨迹进行简单粗磨擦抛光，将表层的水解雾化层和杂质清除干净，形成了一条宽度大于激光入射光斑直径的透明轨迹；

第2步、将相同光学晶体材料的饱和溶液均匀涂抹到擦拭过的光学晶体表面，将光学晶体表面凸凹不平填平；

第3步、采用激光沿着光学晶体饱和溶液的轨迹进行扫描分离加工。

2.一种激光分离加工光学晶体的装置，包括激光聚焦装置和直线移动机构，其特征在于，该装置还包括涂液系统，涂液系统包括打磨装置、抛光装置、擦拭装置和涂液装置，涂液装置用于在激光分离加工光学晶体表面涂相同光学晶体材料的饱和溶液，以直线移动机构的移动方向为X轴方向，激光聚焦装置、涂液装置、擦拭装置、抛光装置和打磨装置沿X轴方向依次安装在直线移动机构上。

3.根据权利要求2所述的激光分离加工光学晶体的装置，其特征在于，所述涂液装置为一上端开有进液孔的线形漏斗。

4.根据权利要求2或3所述的激光分离加工光学晶体的装置，其特征在于，在所述抛光装置的抛光盘和固定盘之间设置减震弹簧。

5.根据权利要求4所述的激光分离加工光学晶体的装置，其特征在于，    所述擦拭装置为吸水性材料。

6.根据权利要求4所述的激光分离加工光学晶体的装置，其特征在于，所述打磨装置的砂纸盘和固定盘之间设置减震弹簧。

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